INFLUÊNCIA
DO
COMPORTAMENTO
ELASTO-
PLÁSTICO
Os três corpos de prova SE(B) blunt notch descritos na Tabela 4 foram submetidos a ensaio de fratura por flexão a três pontos para a avaliação da influência da deformação plástica e da mudança na geometria do ligamento remanescente nos valores de potencial elétrico medidos. A Figura 28 apresenta o corpo de prova em máquina configurado para o ensaio. Observa-se feixe luminoso para auxílio no alinhamento do corpo de prova. Foi aplicado teflon nos roletes para isolamento elétrico do corpo de prova.
Figura 28. Corpo de prova BN05 em preparação para ensaio.
A Figura 29 apresenta os registros de carga vs. deslocamento da linha de carga (LLD) para os três ensaios realizados. Observa-se que, naturalmente, o corpo de prova BN05 de menor entalhe, ou seja, maior ligamento restante, apresentou maiores níveis de carregamento e menores níveis de deformação elástica. O instante de tempo onde ocorre a transição entre o regime de deformação elástica e o regime de deformação
elasto-plástica foi estabelecido utilizando-se como critério a definição da norma ASTM E399 (2017), que estabelece o ponto de cruzamento entre uma reta com 95% da inclinação da reta obtida durante a deformação elástica e o registro P vs. LLD, conforme apresentado na Figura 30. Esta é uma definição convencional, cujo desvio da linearidade indica o início do regime elasto-plástico. O sincronismo entre os registros de carga e deslocamento com os registros de queda de potencial (DCPD) é obtido pelos instantes de tempo, dessa forma, foram registrados os instantes de tempo em que ocorre a transição conforme o procedimento estabelecido. Para o corpo de prova MS- BN05, aos 188 s de ensaio; para o corpo de prova MS-BN06, 146 s e; para o corpo de prova MS-BN07, 115 s.
Figura 29. Variação da carga em função do deslocamento da linha de carga para os
Figura 30. Detalhamento do critério de classificação do instante de transição entre
regime de deformação elástica para deformação plástica dos corpos de prova blunt notch.
A Figura 31 apresenta os registros de variação de potencial (DCPD) vs. tempo de cada corpo de prova. Como os registros de carga, LLD e DCPD são parametrizados pelo tempo, é possível, a partir dos registros apresentados na Figura 30, determinar o instante de tempo nos registros DCPD vs. tempo, da transição entre o regime de deformação elástica e o regime de deformação elasto-plástica, representados por uma linha tracejada. Observam-se comportamentos similares, especialmente na queda de potencial, com diferenças no valor absolutos do potencial elétrico em função da área do ligamento restante, em conformidade com a primeira e segunda leis de Ohm, apresentadas na Equação 27 e a Equação 28. A primeira Lei relaciona de forma direta o potencial elétrico (ou a queda de potencial) com a resistência elétrica (R). Já a segunda Lei relaciona de forma inversamente proporcional a resistência elétrica com a área de passagem de corrente (ou seja, o ligamento restante).
ÖÄfÖ = Ü. à Equação 27
Ü ∝ ä 1
(- − ;)9 Equação 28
sendo ρ a resistividade elétrica do material, W a largura, B a espessura e a o ligamento restante. O corpo de prova MB-BN05 possui maior área de ligamento, logo menor é a densidade de corrente e, portanto, menor o potencial elétrico. De forma oposta, o corpo de prova MB-BN07 apresentará maior densidade de corrente, logo, maiores valores de potencial elétrico. Sendo assim, para o corpo de prova MB-BN05, o instante da transição foi determinado como após 188 s do início do teste. Para o corpo de prova MB-BN06, aos 146 s e, finalmente, para o MB-BN07, aos 115 s. Uma análise mais profunda permite observar claramente a mudança no comportamento do registro após os instantes de tempo determinados, conforme demonstra a Figura 32. Nela, é possível evidenciar a mudança de inclinação após o início do regime elasto-plástico, sendo próxima de zero durante o regime elástico, o que indica que a deformação elástica tem pouca influência na variação de potencial elétrico, enquanto a deformação plástica tem influência considerável.
Figura 31. Variação do potencial elétrico em função do tempo para corpos de prova
blunt notch com diferentes comprimentos de entalhe, destacando o instante identificado como transição de regime elástico para elasto-plástico.
(a)
(b)
(c)
Figura 32. Avaliação da inclinação dos registros de queda de potencial nos dois
A Figura 33 apresenta o corpo de prova MB-BN05 após ser submetido ao ensaio por flexão a 3 pontos. Pode-se observar uma intensa deformação plástica no entalhe cego usinado. Análises mais aprofundadas em microscópios e projetor de perfis indicaram não haver trincas na região do embotamento do entalhe. De forma a garantir que a queda de potencial observada não esteja associada a mudanças na área do ligamento, os ligamentos remanescentes dos corpos de prova MB-BN05 e MB-BN07 foram cortados por eletroerosão no plano do entalhe. A Figura 34 apresenta fotografias macro da seção transversal dos ligamentos remanescente dos corpos de prova após os testes. As imagens permitem observar com clareza que não houve nucleação e crescimento de trinca durante o carregamento dos corpos de prova.
Figura 33. Corpo de prova BN05 após ensaio por flexão a 3 pontos, sendo possível
observar intensa deformação plástica. Não se observa crescimento de trinca evidente
MB-BN05 MB-BN07
Figura 34. Fotografias macro da superfície dos corpos de prova blunt notch no eixo de
deformação, após carregamento.
Adicionalmente, uma análise das imagens dos ligamentos remanescente e um cálculo da área final dos mesmos através do software ImagePro® foi realizada. Utilizando-se um calibrador traçador de altura, foram marcadas duas retas distas exatamente 1mm uma da outra para medição de referência. As áreas de interesse foram destacadas, conforme demonstra a Figura 35. A Tabela 6 apresenta os resultados obtidos. Observa-se que não houve variação significativa de área, sendo possível concluir que toda a queda de potencial elétrico medido durante os ensaios por flexão a três pontos dos corpos de prova blunt notch está relacionada exclusivamente à influência da deformação plástica. Tal fenômeno é ainda mais evidente observando-se a variação da queda de potencial em função da variação de área calculada.
Figura 35. Cálculo da área do ligamento restante dos corpos de prova blunt notch
após carregamento e deformação plástica através do software ImagePro®.
Tabela 6. Área dos ligamentos restantes após carregamento e comparativo com área
teórica de desenho. Corpo de Prova Área do ligamento pré-carregamento [mm²] Área do ligamento pós-carregamento [mm²] Diferença [%] Variação da Queda de Potencial Elétrico [%] MB- BN05 576,0 572,0 -0,70 +7,54 MB- BN07 345,6 346,2 +0,17 +5,23
Sendo assim, os registros de DCPD foram plotados em função do deslocamento em regime de deformação plástica (componente plástica do deslocamento da linha de carga ou LLDpl), de forma a avaliar a possibilidade de obtenção de um parâmetro de correção. Os registros são apresentados na Figura 36.
Observa-se, naturalmente, um comportamento similar dos corpos de prova, conforme esperado, uma vez que o comportamento em função do tempo apresentou tais características. As inclinações dos registros DCPD vs. LLDpl para os três corpos de prova são apresentadas na Tabela 7. Foi obtida a média dos valores. O desvio padrão médio não ultrapassou 5% do valor médio calculado, portanto, em termos práticos, pode-se concluir que há um comportamento linear da influência da deformação plástica em função do comprimento do ligamento restante, ou seja, a medida que a trinca cresce, a deformação plástica presente no ligamento restante pode ser corrigida parametrizando-se os registros dos ensaios de fratura com a inclinação média obtida através da calibração com corpos de prova blunt notch realizada. O resultado obtido, tratado neste trabalho como Fator de Correção de Plasticidade (FCP), apresentado na Equação 29, foi utilizado como parâmetro de correção para todos os ensaios de fratura com monitoramento de crescimento de trinca por queda de potencial, onde cada registro de LLDpl é multiplicado pelo FCP (Equação 30), sendo este valor subtraído do valor original de DCPD (Equação 31), obtendo-se assim um valor DCPD*corrigido.
gÄf = ∆ÖÄfÖ
∆ããÖQW Equação 29
&(2)= ããÖQW(2). gÄf Equação 30
ÖÄfÖ(2)∗ = ÖÄfÖ
(a)
(b)
(c)
Figura 36. Avaliação da variação do potencial elétrico em função da deformação
Tabela 7. Valores obtidos de variação da queda de potencial com LLD plástico,
através da inclinação das retas dos registros dos testes.
Corpo de prova Inclinação [åç ååE ]
MB-BN05 8,60 x 10-4
MB-BN06 7,72 x 10-4
MB-BN07 7,68 x 10-4
Média ± desvio padrão 8,00 x 10-4 ± 3,98 x 10-5
INFLUÊNCIA DA DENSIDADE DE CORRENTE
A Figura 37 apresenta o registro de carga versus deslocamento obtido no ensaio do corpo de prova MS-BN05. O ponto de transição entre os regimes elástico e elasto-plástico seguiu o critério do ponto de interseção entre o registro e uma reta com 95% da inclinação da parte linear referente ao regime elástico, conforme o descrito na seção 4.1. O tempo de ensaio apontado como o instante da transição foi de 192 segundos, muito próximo dos 188 segundos encontrado para o corpo de prova MB- BN05, de mesma geometria, porém de metal de base. A Figura 38 apresenta o resultado do experimento. Os pontos destacados em cinza, no início do teste, foram desconsiderados da análise de forma a eliminar instabilidades devido às acomodações mecânicas do aparato experimental e do corpo de prova e, ainda, pontos referentes ao regime elástico, possibilitando avaliar somente a região de regime de deformação plástica.
Figura 37. Registro carga versus deslocamento do corpo de prova BN a/W 0,5 durante
ensaio de variação de corrente aplicada.
Figura 38. Registro de queda de potencial versus tempo com variação de corrente
aplicada em tempo real durante o ensaio.
Observou-se que a inclinação do registro variou de forma proporcional à razão entre as correntes, conforme detalha a Tabela 8 abaixo, com uma diferença inferior a 2%, provavelmente em função do ruído no sinal. Concluiu-se, portanto, que o FCP
obtido no capítulo 4.1 varia linearmente com a corrente aplicada. Dessa forma, foi determinada a utilização de valores de corrente mais elevados, cujos registros apresentam menores níveis de ruído, sendo necessário apenas a utilização do FCP para a corrente de 18 A.
Tabela 8. Análise da diferença de inclinação encontrada após variação da corrente
aplicada.
Corrente aplicada Inclinação [åç éE ]
18 A 1,36 x 10-5
8 A 6,28 x 10-6
Razão: 2,25 Razão: 2,21
Diferença observada:
1,63%
COMPARATIVO ENTRE METAL DE BASE E METAL DE
SOLDA
A Figura 39 apresenta o resultado do comparativo entre os valores de queda de potencial versus tempo para a região de regime de deformação plástica dos corpos de prova MB-BN05 e MS-BN05. Observa-se que há uma correspondência entre as inclinações e coeficientes lineares dos registros, apresentando uma diferença de 5% e 3% respectivamente. É possível determinar então que a queda de potencial observada pelos corpos de prova de metal de solda e metal de base de mesmas geometrias apresentam resultados praticamente idênticos. Assim sendo, conclui-se que não há diferença significativa na dependência da queda de potencial com a componente plástica do deslocamento de linha de carga (LLDpl) aplicados, ou seja, o FCP obtido para a geometria do corpo de prova e condições experimentais adotadas não é influenciado pelo tipo de metal ensaiado nem pela microestrutura presente.
Figura 39. Comparativo entre dois corpos de prova blunt notch de mesma relação
a/W, um obtido de metal de base, outro de metal de solda.
AVALIAÇÃO DE INTERAÇÃO COM O MEIO ÁCIDO
A Figura 40 apresenta os registros das curvas carga versus deslocamento dos corpos de prova MS-BN06-1 e MS-BN06-2, ensaiados ao ar e no meio ácido, respectivamente. Observa-se, como esperado, um comportamento similar durante o regime elástico, com as duas curvas apresentando níveis muito similares de módulo de elasticidade e tensão limite de escoamento. A diferença evidente está na ductilidade do material, conforme descrito na literatura (Dong et. al., 2009, Ballesteros et. al., 2010), tendo o corpo de prova MS-BN06-2 apresentado um grau elevado de fragilização. Os pontos últimos nos registros correspondem à interrupção dos ensaios. A Figura 41 apresenta um comparativo dos registros obtidos em dois ensaios com corpos de prova de entalhe cego realizados ao ar e em meio ácido. Podemos observar que, a partir de aproximadamente 1,5 mm de deslocamento da linha de carga (LLD), os dois registros apresentam elevada similaridade. Após esse instante, o corpo de prova exposto ao meio ácido começou a apresentar crescimento de trinca, mesmo com um entalhe cego usinado, conforme demonstra a Figura 42, provavelmente devido à reação entre o material e o meio, indicando a existência de um fenômeno de crescimento subcrítico de trincas (Finamore, 2018), e justificando a fragilização observada no registro carga versus deslocamento. No entanto, realizando-se um ajuste linear do registro do ensaio ao ar e do registro do ensaio em meio ácido antes do crescimento de trinca observado (LLD <
1,5 mm), demonstrados também na Figura 41, é possível concluir que não há fuga de corrente nas condições e configurações adotadas nesta pesquisa. As equações dos ajustes lineares, são praticamente idênticas, havendo pequenas diferenças devido somente à ruídos dos ensaios.
Figura 40. Registros carga-deslocamento dos corpos de prova de entalhe cego
Figura 41. Comparativo de registro de ensaio com corpos de prova blunt notch a/W
0,6 ao ar e em meio ácido.
Figura 42. Superfície de fratura do CP blunt notch a/W 0,6 exposto ao meio ácido.